四缸發(fā)動機曲軸的CATIA建模即ANSYS模態(tài)分析

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1、大型工程軟件課程設(shè)計說明書 目錄 1.緒論 2 1.1研究背景 2 1.2研究內(nèi)容 2 1.3所用軟件的介紹 2 2曲軸的CATIA三維建模 3 2.1.創(chuàng)建第一平衡重 3 2.2創(chuàng)建第一曲拐及第二平衡重 4 2.3創(chuàng)建第二軸頸及第三平衡重 6 2.4創(chuàng)建第二曲拐及第四平衡重 8 2.5通過鏡像創(chuàng)建四缸發(fā)動機的全部曲拐及平衡重 10 2.6創(chuàng)建曲軸前端特征 11 2.7創(chuàng)建曲軸后端特征 19 2.8 完成曲軸的完整模型，并保存 22 3.曲軸的ANSYS有限元分析 23 3.1 CA

2、TIA文件導入ANSYS并顯示實體 23 3.2網(wǎng)格劃分及添加約束 23 3.3進行模態(tài)分析前處理 24 3.4開始進行模態(tài)分析..............................................25 3.5進行擴展模態(tài)分析..............................................26 3.6結(jié)果分析......................................................35 4.結(jié)論.....................................................

3、......... 35 參考文獻.．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．36 1.緒論 1.1研究背景 1.2研究內(nèi)容 某曲軸的有限元分析或模態(tài)分析，用catia軟件進行三維實體建模，然后生成的實體導入有限元分析軟件Ansys中進行曲軸的強度分析和模態(tài)分析。 1.3所用軟件的介紹 (1)CATIA軟件： CATIA是法國達索飛機公司開發(fā)的高檔CAD/CAM軟件。目前在中國由IBM公司代理銷售。CATIA軟件以其強大的曲面設(shè)計功能而在飛機、汽車、輪

4、船等設(shè)計領(lǐng)域享有很高的聲譽。CATIA的曲面造型功能體現(xiàn)在它提供了極豐富的造型工具來支持用戶的造型需求。比如其特有的高次Bezier曲線曲面功能，次數(shù)能達到15，能滿足特殊行業(yè)對曲面光滑性的苛刻要求。而我們現(xiàn)在所用到的CATIA的功能是三維實體建模！ (2)Ansys軟件： ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I－DEAS, AutoCAD等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中的高級C

5、AD工具之一。軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。 2曲軸的C

6、ATIA三維建模 打開CATIA軟件，新建一零件圖，即“part”模式。進行零件建模程序。 2.1 創(chuàng)建第1平衡重 （1）選取XY平面為草圖參考平面，然后單擊工具欄中的“草圖”圖標，進入草圖繪制模式。 （2）用工具欄上的“圓”命令，以原點為圓心，繪制直徑為“42”的圓。 圖 2-1 （3）退出“草圖”將該面拉伸成厚為“21”柱體。單擊生成的柱體的一圓截面，進入“草圖”模式，繪制平衡重的草圖形狀。 圖2-2 （4）退出草圖，完成對新建明面形狀的拉伸。生成平衡重的三維模型。厚度為19

7、 圖2-3 2.2創(chuàng)建第一曲拐及第二平衡重 （1）單擊新生成的實體的另一表面，并進入“草圖”模式，繪制曲拐的草圖。 圖2-4 （2）退出“草圖”編輯，拉伸曲拐實體。 圖2-5 （3）單擊曲拐的另一端面，進入“草圖”編輯。繪制第二平衡重。 圖2-6 （4）退出 草圖，用“凸臺”命令拉伸生成實體。厚為19 圖2-7 2.3創(chuàng)建第二軸頸及第三平衡重 （1）單擊新實體的另一端面，進入“草圖”命令。繪制第二段軸頸。 圖2-8

8、 （2）退出草圖，拉伸實體。厚為21 圖2-9 （3）單擊新生成軸頸的另一端面，進入草圖編輯。繪制新的實體的草圖。 圖2-10 （4）退出草圖，拉伸生成新實體。 圖2-11 2.4創(chuàng)建第二曲拐及第四平衡重 （1）單擊第三平衡重的另一端面，進入草圖繪制。繪制第二曲拐的草圖后，退出草圖，進行拉伸，生成曲拐實體后，單擊其另一端面進入草圖繪制，繪制第四平衡重的草圖，然后，退出，拉伸出實體。 圖2-12 圖2-13 2.5通過鏡像創(chuàng)建四缸發(fā)動機曲軸的全部曲拐，平衡重

9、 （1）對以上步驟所生成的實體進行鏡像，鏡像的對稱面選為第一軸頸的第一端面。 圖2-14 圖2-15 2.6創(chuàng)建曲軸前端特征 （1） 單擊新生成的完整曲軸的一端，繼續(xù)創(chuàng)建軸頸。在軸頸的另一端面后，創(chuàng)建新的實體。 圖2-16 圖2-17 （2）對新生成的實體進行細節(jié)處理。選擇YZ平面，進入草圖繪制，利用“投影三維元素”，“弧”，“直線”等命令繪制草圖。 圖2-18 （3）退出草圖模式，利用工具欄上的“旋轉(zhuǎn)槽”命令，選擇合適的修剪方向，生成所要的實體。 圖2-19 （4）選擇YZ平面，進入草圖繪制模式，利用“投影

10、三維元素”，“直線”命令，繪制螺紋的草圖 圖2-20 （5）退出草圖，利用“旋轉(zhuǎn)槽”命令，選擇合適的方向，完成螺紋的創(chuàng)建。 圖2-21 （6）在新生成的實體的表面進行掏階梯孔的操作。 圖2-22 圖2-23 圖2-24 圖2-25 （7）在端面上創(chuàng)建圓周排列的六個小孔，相間角度為60。先由端面繪制草圖。后退出草圖，完成一個小孔的實體化。用“凹槽”命令。 圖2-26 圖2-27 （8）用“圓形陣列”命令，將小孔陣列為六個。 圖2-28 圖2-29 2.7創(chuàng)建曲軸后端特征 （1）在曲軸的后端

11、端面，進入“繪制草圖”繪制軸頸的草圖，后拉伸為實體。 圖2-30 （2）在曲軸后端，創(chuàng)建帶有鍵槽的一小段軸。 圖2-31 圖2-32 （3）利用“平面”命令，創(chuàng)建新的平面。 圖2-33 （4）在新的平面上繪制草圖 圖2-34 （5）退出草圖，用“凹槽”命令，選擇正確的方向，生成實體凹槽。 圖2-35 （6）在最后的端面，生成一孔。繪制草圖，并由“凹槽”命令生成實體。 圖2-36 圖2-37 2.8完成曲軸的完整模型，并保存。 圖2-38 3曲軸的ANSYS有限元分析 3.1 CAT

12、IA文件導入ANSYS并顯示實體 （1）將CATIA文件保存為“model”格式。 （2）由于版本之間的差異，在運行ANSYS之前，須將系統(tǒng)的時間改為2010年。點擊File>>Import>>CATIA,選擇保存的“model”文件，打開。 （3）依次選擇PlotCtrls>>Style>>SolidModelFacets>>Fine （4）依次選擇Plot>>Volumes，生成實體。 圖3-1 3.2 網(wǎng)格劃分及添加約束 （1）定義材料的屬性。定義網(wǎng)格類型為Solid Tetnode187 （2）定義彈性模量 E=2.06e11 ，泊松比 =0.3，密度ρ

13、=7.9e3。 （3）選擇自由網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格間距為“smartsize,10.”對實體進行網(wǎng)格劃分。 （4）選擇曲軸的兩端軸面，加載全約束。 3.3 進行模態(tài)分析前處理 （1）模態(tài)分析前處理。Solution>>Analysis Type>>New Analysis>>Model 圖3-2 （2）在Analysis Option 中，選擇算法，選擇“Block Lanzcons”,選擇10階矩陣運算。 圖3-3 （3）在算法選項中選擇截止頻率為“100000” 圖3-4 3.4 開始進行模態(tài)分析 （1）依次選擇“Soluti

14、on>>solve>>Current LS。跳過步驟中警告，觀察運行代碼，并等待運算結(jié)束。 圖3-5 （2）待出現(xiàn)“Solution done”提示，點擊“Close”。依次點擊“General Postproc>>Results Summary”出現(xiàn)計算的結(jié)果，即曲軸的固有頻率。 圖3-6 3,5 進行擴展模態(tài)分析 （1） 依次選擇“Solution>>Load step opts>>ExpansionPass>>Single Expand>>Expand Model”進行設(shè)置。 圖3-7 （2） 選擇每步操作都進行到每個子空間（Substep） 圖3

15、-8 圖3-9 （3） 再次進行運算，步驟同第一次運算。 圖3-10 圖3-11 （4）查看各種振型，依次選擇“General Postproc>>Read Result>>First Set”>>Plot Result>>Contour Plot>>Nodal Solu。十種振型列在下面，每查看一種振型，要選擇“Next Set” 圖3-12 圖3-13 圖3-14 圖3-15 圖3-16 圖3-17 圖3-18 圖3-19 圖3-20 圖3-21 圖3

16、-22 圖3-23 3.6 結(jié)果分析 由各振型圖，可知，最大的形變?yōu)?.292e-4，各頻率見列表。 圖3-24 4結(jié)論 （1）基于CATIA 進行三維建模， 相比較在ANSYS 中建立三維模型而言，可以大大縮短建模時間，提高工作效率。 （2）在ANSYS 中進行模態(tài)分析，可以比較詳細地了解系統(tǒng)固有頻率，對生產(chǎn)設(shè)計時考慮系統(tǒng)的頻率有一定的參考意義。 。 參考文獻 【1】 劉相新 孟憲頤 《ANSYS基礎(chǔ)與應用教程》 科學出版社 【2】 王霄 劉會霞 《CATIA V5R17高級設(shè)計實例教程》 冶金工業(yè)出版社 35